第二十一章 HART仪表无线适配器设计

　　引言

　　HART(Highway Addressable Remote Transducer)协议是全球智能仪表的工业标准之一，基于HART协议的智能仪表在工业现场得到了广泛的应用：据HART基金会统计，全球范围内已经安装了超过3000万块HART仪表。HART仪表在应用中存在大量数据未得到充分利用的问题。由于HART仪表与传统的4-20mA仪表相兼容，因而有大量的HART仪表被安装于仅具有4-20mA 非调制信号采样能力的传统测控系统中，此时， HART仪表仅能以未经调制的4-20mA电流方式传送仪表的主变量，而仪表内包括过程参数、设备组态、校准、诊断信息等大量数字智能信息并没有得到利用。据统计，只有10%的HART仪表能够与控制系统主机进行数字化通信。如果要升级传统基于4-20mA电流环路的有线测控系统使其能够实现数字式HART通信，需要增加大量硬件并修改原测控系统的软件，过程复杂而且代价高昂。

　　通过无线网络适配器实现HART仪表的数字化无线网络通信是解决以上问题的有效方式。无线网络适配器是一种工业无线网络构件，它一方面可以与工业现场的有线仪表、IO设备等通过有线方式通信;另一方面，多个适配器可以组成无线网络或加入现有无线网络，通过无线方式传输数据，从而实现传统有线仪表及IO设备的无线化改造。

　　图1为采用无线适配器后，基于4-20mA电流传输方式的HART测控系统的结构。在每个4-20mA电流环路上都串联了一个无线适配器。无线适配器不但可以采集环路的当前电流值，还可以作为HART主设备，通过其内置的HART调制解调器与HART仪表通信，采集HART仪表内部全部的智能信息。多个无线适配器可组成一个无线网络，各无线适配器收集的HART仪表内的智能信息通过无线网络汇总到无线网关，并最终进入与无线网关相连的计算机内，从而方便地与工厂工业无线网络测控系统集成，而无需对原测控系统做大的改动。通过无线网络的帮助，现场工作人员还可以通过无线手抄器，查询任意一个HART仪表内的各类智能信息，从而给现场调试工作带来极大的便利。

　　1 HART仪表无线适配器的设计难点

　　为避免更换电池带来的开销，无线适配器采用从电流环路中取电的方式工作。为了既不影响原电流环路上各设备的正常运行，又能增大适配器的取电功率，适配器的分压大小需要能够根据环路电流变化而进行动态调整。

　　4-20mA电流环路通常采用24V电源供电，变送器工作电压一般要求大于12V。为了提供一定的误差容限，可以假定电流环路最小电流为3.5mA，最大为25mA，电源电压波动范围为5%。此时，250欧姆标准负载分压为1-6V。考虑电流环路内可能安装有同为环路取电的隔离式安全栅、隔离变送模块或显示表头，也需要一定分压值，因此，适配器分压在环路电流最大时，应尽量小于1.5V。当电流环路电流为最小值时，250欧姆电阻分压最小，适配器可以增大分压值到3V左右。